JPS61128011A

JPS61128011A - 石炭・水スラリ−の燃焼方法

Info

Publication number: JPS61128011A
Application number: JP25123984A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Higashiyama; 和寿東山; Norio Arashi; 紀夫嵐; Kiyoshi Narato; 清楢戸; Kenichi Soma; 憲一相馬; Toru Inada; 徹稲田; Yoshinobu Kobayashi; 啓信小林; Keizo Otsuka; 大塚　馨象; Takao Hishinuma; 孝夫菱沼; Tadahisa Masai; 政井　忠久
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1986-06-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、石炭・水スラリー（以下ＣＷＭと称する）の
燃焼方法に関するものである。

〔発明の背景〕

石炭は、ＣＷＭとすることによって輸送、貯蔵等の工程
で流体と同様に取シ扱うことができる。

そのため、ＣＷＭは石炭の新しい利用形態として、ボイ
ラー等における燃焼の分野を中心に現在その実用化開発
が積極的に進められている。

ＣＷＭは輸送コスト、ハンドリング等の面で確かにメリ
ットは大きいものの、燃料中に水分を多量に含むことに
なるため、従来の微粉炭焚きに比較して燃焼効率が低く
なるという問題がある。また燃焼効率の低下に加え、Ｎ
Ｏｘの発生量も大きくなることが知られている。

ＣＷＭの有する流体としてのメリットを燃焼システム全
体でのメリットとして活かすためには、燃焼効率の向上
およびＮ　Ｏｘ発生量の低減を図り、燃焼サイドでのデ
メリットを解消する必要がある。

さて、ＣＷＭの燃焼には、これをまず微粒化して噴霧し
なければならない。ＣＷＭの様に比較的粘性の■い流体
の噴霧には、一般に二流体式アトマイザ−が使用されて
いる。二流体式アトマイザ−は、高流速の気体（噴霧用
媒体）をＣＷＭに衝突させ、霧化を行なうものである。

霧化に高流速の気体を使用するため、噴出後のＣＷＭ気
流の速度は極めて大きく、空気搬送による微粉炭の場合
′の５倍程度にもなる。さらに、噴霧されたＣＷＭは、
その着火に先立ち水分の蒸発域を必要とする。

噴出速度が大きく、かつ水分の蒸発時間を必要とする結
果、ＣＷＭの着火位置はバーナー面から大幅に遠ざかる
ことになる。事実、ＣＷＭの燃焼火炎の最高温度域は微
粉炭よりバーナー面から後流側に移り、その温度も１０
０〜２００ｃ程度低いことが知られている。この様な着
火位置の後退は、ＣＷＭの燃焼率が低いことの大きな原
因となっている。

この着火位置の後退は、燃焼率ばかシでなく、Ｎ　Ｏｘ
の発生量に対しても大きな影響を及ぼしている。

そもそもＣＷＭを含めた各種燃料の燃焼時に発生するＮ
　Ｏｘは、燃焼用空気中のＮ２が高温下で酸化されて発
生する熱生成（Ｔｈｅｒｍａ　ｌ　）　Ｎ　Ｏｘと、燃
料中に含有するＮ分が燃焼時に酸化されて発生する燃料
起源（Ｆｕｅｌ）　Ｎ　Ｏｘに大別される。

これらの二種類のＮ　Ｏｘのうち、熱生成ＮＯｘの発生
量は、燃焼火炎の温度に強く依存している。

ＣＷＭの様に火炎温度が低い場合には、Ｎ２と０２の反
応が抑制され、その発生量は比較的少ない。

これに対して燃料起源Ｎ　Ｏｘは、火炎温度によってあ
まシ変化せずむしろ燃料中のＮ含有量によって左右され
る。ＣＷＭの可燃成分である石炭は、炭種によって０．
５〜２．５重量％のＮ分を含有している。これは、ＬＮ
Ｇの０重量％、Ｃ重油の０．１重量％に比較して極めて
高い。そのため、燃料起源Ｎ　Ｏｘの発生量も多く、全
ＮＯｘ発生量の大部分を占めている。

ＣＷＭと微粉炭の燃焼は、本質的にはどちらも石炭の燃
焼ではあるが、ＮＯｘの発生量はＣＷＭＱ方が多い。こ
れは、先に述べた着火位置の後退による火炎構造の相違
に大きな原因があると考えられる。第２図と第３図はそ
れぞれ微粉炭とＣＷＭの燃焼火炎の構造を示す概略説明
図であり、微粉炭の燃焼火炎は還元領域Ａ１完全燃焼領
域Ｂ、脱硝領域Ｃより構成されるが、ＣＷＭの燃現火炎
は完全燃焼領域Ｂのみから構成される。

石炭の燃焼の場合、そのＮＯｘ発生量の低減には、火炎
内に還元領域を安定に形成することが不可欠であること
が知られている。石炭は、空気不足な燃焼条件（低空気
比燃焼条件）下では、Ｎ２゜ＣＯ等の還元性ガスを放出
し還元領域を形成する。

この様な還元領域下では、石炭中のＮ分はＮＨｓ。

ＨＣＮ等の化合物として放出されることが知られている
。これらの窒素化合物は、高濃度の０２共存下では直ち
にＮ　Ｏｘに酸化されるものの、０□濃度が低い場合に
はＮ　ＯｘをＮ２に還元する作用を有している。そこで
微粉炭の低Ｎ　Ｏｘバーナーには、燃焼用空気を犬きく
分離し、これを徐々に混合させることによって、還元領
域と低酸素濃度領域（脱硝領域）を安定に形成する様に
構成されているものがある。

これに対してＣＷＭの燃焼では、着火位置が後退し、か
つ燃料の噴出速度も速いため、着火面以前での空気の巻
き込みが著しい。その結果、微粉炭燃焼の様な還元領域
・脱硝領域の明確な形成が見られず、ＮＯｘ発生量は高
い。

この様に、ＣＷＭ燃焼では着火位置の後退が、燃焼率、
ＮＯｘ発生量の双方に悪影響を及ぼしていると考えられ
る。そこで、ＣＷＭの着火位置を可能な限りバーナー近
傍に引き寄せることが、燃焼率を上げ、ＮＯｘ発生量を
抑制することにつながる。しかし、着火位置を引＠寄せ
る方法のすべてがＣＷＭの燃焼特性改善に有効である訳
ではない。例えば、燃焼用空気に強力な旋回を与えてい
けば、その着火位置はバーナー側に近づいてくることは
ＣＷＭ燃焼においても既に知られている。

しかしこの方法では、燃焼率は著しく向上するものの、
ＮＯｘ発生量はむしろ増加してしまう。ま九、二流体式
アトマイザ−における噴霧用媒体の流速を下げ、ＣＷＭ
の噴出速度を落とすことによって着火位置を近づけ様と
すれば、ＣＷＭの良好な霧化が行なわれず、ＮＯｘ発生
量は下がるが、燃焼率は著しく低下するという結果にな
る。ＣＷＭに限らｒ１石炭の燃焼で、燃料起源Ｎ　Ｏｘ
の低減と燃焼率の向上には、それぞれ相反する燃焼条件
を必要とするため、両者を同時に達成するためには双方
の条件をバランスよく実現できる方法でなければならな
い。例えば、特開昭５８−１７９７１０号公報に示され
る燃焼法は、両者の条件を効果的にボイラー内で実現す
るものである。この燃焼法は、微粉炭と水分との混合物
を、空気比が０．７〜０．９５で、かつ４０００以上に
予熱するか、或いは酸素富化した一次燃焼空気とともに
一次燃焼室に供給し、微粉炭をガス化する工程と、発生
した還元ガス（Ｈ２、ＣＯ）とＮＯｘを還元室で反応さ
せる工程と、余剰の還元ガス金二次燃焼室で二次空気に
て燃焼する工程から成るものである。この燃焼法は主燃
焼室を高温度に維持し微粉炭と水分を低空気比でガス化
しつつ燃焼するためＨ２゜ＣＯの発生量は高い。また、
−次燃焼室で同時に発生したＮｏｔを還元ガスで還元す
るに充分な滞留時間を還元室で与える事ができる。しか
し、この燃焼法では、−次燃焼室でのガス化が不完全な
場合二次燃焼室で二次空気を供給した際に未燃チャーか
ら燃料起源ＮＯｘが発生する。水による石炭のガス化は
著しい吸熱反応であるため、これを完全に進めるために
は、−次燃焼室をかなり高温に保持する必要がある。−
次空気の酸素富化によりこれを達成しようとすれば、実
機ボイラー適用上、酸素プラントの設置が必要となり経
済的に不利になる。また、高温度および溶融した石炭灰
分に対する耐損耗性の点からボイラー構造物の選定につ
いても技術上、経済上の問題が存在する。さらに、完全
にガス化を達成するために一次燃焼室を高温に維持しな
ければならないためこれまでそれほど大きくなかった熱
生成Ｎ　Ｏｘ発生量が増加する。このため、−次燃焼室
で発生した還元ガスでは、これら全Ｎ　Ｏｘを完全に還
元できない可能性がある。

現在、ＣＷＭの低ＮＯｘ高効率燃焼法に関する公知例は
少なく、最良のアトマイザ−構造とともにその開発が今
まさに進められている段階である。

微粉炭同様、低ＮＯｘ、高効率が同時に達成できるＣＷ
Ｍ燃焼技術の確立が望まれている。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の如き情況に鑑みなされたもので、高燃
焼効率を維持しつつＮｏｔの低減を達成するＣＷＭの燃
焼方法を提供可能とすることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、石炭・水スラリーをアトマイザ−により噴霧
し燃焼する方法において、火炎中心部に噴霧された前記
石炭・水スラリーの石炭に対する水分の重量比を火炎外
周部に噴霧される前記石炭・水スラリーの石炭に対する
水分の重量比より大きくすることを特徴とするものであ
る。

すなわち、ＣＷＭの着火を早めその燃焼火炎内部にＮＯ
ｘの低減に有効な還元性物質の発生領域を形成して、高
燃焼効率を維持しつつＮＯｘの低減の達成を可能とした
もので、例えば、噴霧した一種類のＣＷＭ気流を旋回す
ることにより、又は水分濃度の異なる少なくとも二種類
のＣＷＭを同心円上に噴霧することにより、あるいは、
燃焼用空気の一部を同時にＣＷＭ噴霧気流に急速に混合
することによって所期の目的が達成される。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の好適な一実施例を図面に基づいて詳述す
る。

第１図は実施例のＣＷＭの低Ｎ　Ｏｘ燃焼方法を実施す
るためのバーナー装置と火炎の構造を示す概略縦断面図
である。

この図で、１はＣＷＭを噴霧する二流体式アトマイザ−
１２は二流体式アトマイザ−１の先端部に装着され噴出
するＣＷＭ気流に旋回力を加えるセラミック製のスワー
ラーキャップ、３は一次空気口、４は一次空気用導管、
５は一次空気用導管４に設けられている旋回流発生器、
６Ｆｉ、二流体式アトマイザ−１を火炉の半径方向に移
動させる操作器、７は二流体式アトマイザ−１の外周に
設けられているウィンドボックス、８は二次空気口、９
はウィンドボックス７に設けられ操作棒１０で操作され
るレジスター、１１は火炉壁、１２は火炉壁１１の開口
部に取り付けられている耐火材、１３はミキシングキャ
ップ、１４は着火用バーナーを示し、Ａ、Ｂ、Ｃは第２
図と同様にそれぞれ還元領域、完全燃焼領域、脱硝領域
を示し、Ｄは着火する直前の石炭が多量の水分と共存し
た状態で存在する領域を示している。

このバーナーでは、−次空気口３から導入される一次空
気は、−次空気用導管４と二流体式アトマイザ−１の間
の環状路を通り、ミキシングキャップ１３を経て噴出さ
れる。ミキシングキャップ１３内には細流式の旋回流発
生器５が設置されておシ、−次空気に旋回力を加えるこ
とによってミキシングキャップ１３内もしくはその近傍
でＣＷＭ噴霧気流と混合することを促進している。燃焼
用空気の大部分を占める二次空気は、二次空気口８から
ウィンドボックス７に導入され、レジスター９を通シミ
キシングキャツプ１３外周部の環状ノズルから火炉内に
噴出される。レジスター９は操作棒１０によってその開
度を自由に外部から調整できる。環状の二次空気ノズル
は、外向きに角度を有゛しており噴出した二次空気が徐
々に混合する様になっている。

第４図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）は、ミキシング
キャップ内での一次空気とＣＷＭ気流の混合の度合がＣ
ＷＭ噴霧気流の流速に及ぼす影響を示したもので、横軸
には炉半径（闘）、縦軸には流速（相対値）がとってあ
り、（ａ）、Φ）、（Ｃ）はバーナー面からの距離りが
それぞれ１８０ｍ、３８０ｍ、５８０ｍの場合を示して
おり、Ｍは二流体式アトマイザー先端をミキシングキャ
ップ１３先端まで移動し、ミキシングキャップ１３内で
の両者の混合を全く無くした場合で、Ｎは二流体式アト
マイザー先端を旋回流発生器５先端まで下げ、その混合
域を最も大きく取った場合である。バーナー面からの各
距離における最大流速は、ミキシングキャップ１３内で
の混合域を有するＮの方がいずれも低くなっている。

ＣＷＭの燃焼において、ＣＷＭ噴霧気流の流速を下げる
ことができれば、その着火が早まシ既に説明した理由に
より低ＮＯｘ化と高効率化が実現できる。その意味で第
４図の結果は、燃焼用空気の一部あるいは燃焼排ガスの
混合が有効であることを示している。

第５図（ａ）、Φ）は二流体式アトマイザ−１より濃度
７０重量％のＣＷＭを噴霧し、第１図におけるＸおよび
Ｙ断面で石炭分と水分の重量分布状況を検討した結果を
示したもので、横軸には中心からの距離ｒ１縦軸には石
炭、水分量及び水分／石炭重量比がとってあり、Ｅ、Ｆ
、Ｇはそれぞれ、石炭量、水分量、水分／石炭重量比を
示している。

二流体式アトマイザ−１の直後では石炭分および水分と
もに同様の分布を示しており、石炭分室量に対する水分
重量比は、使用し九〇ＷＭと同じである。しかし、−次
空気シよび二次空気の旋回力によりＹ位置での水分／石
炭重量比はよりするどいピークになっている。つま！Ｄ
、ＣＷＭ噴霧粒子中、主に石炭から構成されて比重のよ
プ太なものは、水を多く含み比重の小なる粒子より外局
方向に飛ばされ易く、Ｘ断面よりは石炭の重量分布が広
がる。そのため、水分／石炭重量比としては、中心部が
高く、外周部が低い状況を生ずることができる。

さて、第１図に示すバーナーにより第５図Ｙ断面に示す
様な分布が得られたことにより、第６図及び第７図によ
り明らかな如く、ＣＷＭ低Ｎ　Ｏｘ燃焼にとって極めて
大きな利点が生ずる。第６図は、低空気比条件下におい
て水分／石炭重量比がそれぞれ異なる状況で発生した還
元性ガスＣＯ。

Ｈ，の量を、水分／石炭重量比に対してプロットしたも
ので、横軸に水／石炭（ｇ／ｇ）、縦軸にガス生成量（
ｍｍｏｌ　／　ｍｉｎ　；　ｇ　−Ｃ０ａｔ）がとって
ありＬ＋、ＬｘがそれぞれＨ２，Ｃｏのガス生成量を示
している。また第７図は、同様にＮ　Ｈ３の濃度をプロ
ットしたもので、横軸に水／石炭（ｇ／ｇ）、縦軸に濃
度（ｐｐｍ　、　ｄｒｙ　）がとっである。

Ｎ　Ｈ３はＮＯの還元剤として作用することは既に知ら
れている。ＮＨ３によるＮＯの還元反応は、の反応式か
ら明らかな様に、酸素の存在下で進行する。しかし、酸
素が過剰に存在する状況下ではの反応式が示す様にＮＯ
となってしまう。そのため、ＮＨ３によるＮＯの還元反
応には酸素濃度の最適値が存在する。この最適値はＨ２
，ＣｏおよびＨ２Ｏの共存濃度により変化し、これらの
濃度が高いほど酸素濃度が高くても（１）式が進行する
様になる。その意味で、水分／石炭の重量比が大１！な
状況を形成し多量のＨ２，ＣＯを発生することにより（
１）式の反応を進める領域を大きくできる。さらに第７
図は、（１）式に直接関与するＮＨａの濃度は、水分／
石炭重量比が大きいほど多いことを示している。

以上の様に、ＣＷＭ噴霧気流を旋回させることにより、
水分／石炭重量比を第５図Ｙ断面の様に中心部で大キく
、外周部で小さくすることにより、中心部の低空気領域
でのＮＨｓさらにはＨ２、ＣＯ等の還元物質を多量に発
生させ、ＮＯｘ低減に関与する火炎内領域を広げること
ができる。

また水分／石炭重量比を上記のごとくすることにより、
さらに火炎中心部の低空気比領域を安定に保持すること
ができる。つまり、火炎外周部は、供給するＣＷＭより
も石炭濃度が高くなっているため、分布をつけない通常
の噴霧よりも着火がよく、その結果二次空気の火炎内部
への混入を抑制することになる。

さらに水分／石炭重量比を高めることにより、石炭の活
性を高めることができる。前述の如く第１図の火炎内の
Ｄで示す頭領は、着火する直前の石炭が多量の水分と共
存した状態で存在する領域である。石炭の水蒸気賦活な
どでも知られる様に、水蒸気は高温下で石炭の比表面積
を極めて大きくする効果があり、領域りではこれと同様
の効果が行なわれる。第８図は、石炭濃度が６０重量％
のＣＷＭと微粉炭とを空気中でそれぞれの温度で加熱し
た時の着火の状況を示すもので、図の横軸、縦軸には、
それぞれ、時間（ｍ）、重量減少率（％）がとってるり
、Ｊは本発明のＣＷＭの場合（加熱は度３５ｏｃ）、Ｋ
が微粉炭の場合（加熱温度３５０Ｃ及び、１ｏＯｃ）ｔ
−示している。この図は水分が存在するＣＷＭの方が、
水分の存在しない微粉炭より急激な重量減少、つまりは
着火が起こる温度が５０Ｃだけ低くなることを示してい
る。これは、ＣＷＭ中の水分が蒸発した際に石炭の細孔
を広げその反応活性を高める、いわゆる賦活を行なうた
めである。この様な賦活の程度は水蒸気濃度が高くなれ
ば、さらに大きくなる。

この様な賦活の結果、（３）式に示す様な石炭チャー（
Ｃｈａｒ）の有するＮＯ還元作用も太きくｆｋ、６ＮＯ
ｘ低減に大きく寄与するようになる。

さらに、石炭チャーの燃焼性自体も高くなるため、未燃
分も小さくなる。

以上の様に、火炎内で水分／石炭重量分布をつけること
によって、以上の様な低Ｎ　Ｏｘ化の効果を得ることが
できる。

このような効果は、複数個のノズル孔を有するアトマイ
ザ−を用い、火炎中心部に火炎外周部より水分濃度の高
いＣＷＭを噴霧することによっても実現できる。

また、第１図のバーナーにおいて、二流体式アトマイザ
−１の先端の位置をミキシングキャッグ１３内に引き入
れることによって旋回力を有する一次空気とＣＷＭ噴霧
後の気流との混合が促進され、その噴出速度を下げるこ
とができる。その結果、ＣＷＭの着火面がバーナー側に
引き寄せられ二次空気中の０２が火炎外周部で消費され
るため、火炎中心部に低空気比領域をより安定に形成す
ることができる。これによって先に説明した水蒸気によ
る石炭の賦活あるいはＨｚ　、ＣＯ，ＮＨ３等還元性物
質の発生を安定に行なうことができる。

第９図は、本実施例と従来例によるＮＯｘ−灰中未燃分
の燃焼特性曲線を比較したもので、横軸、縦軸にそれぞ
れ灰中未燃分、ＮＯｘ生成量がとってあり、０が本実施
例、Ｐが従来例を示している。

同一未燃分で比較すると本実施例でのＮＯｘ発生量が低
減していることが明らかである。

以上の如く、実施例のＣＷＭの燃焼方法は、ＣＷＭ燃焼
火炎内にＮＯｘを還元するＮＨｓ。

ＨＣＮ、Ｈ２、Ｃｏ、さらには活性チャーを多量にしか
も安全に生成することができるとともに着火を速めるこ
とができるため、ＣＷＭの低ＮＯｘ燃焼が可能である。

〔発明の効果〕

本発明は、高燃焼効率を維持しつつＮ　Ｏｘの低減を達
成するＣＷＭの燃焼方法を提供可能とするもので、産業
上の効果の大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＣＷＭの燃焼方法の一実施例を実施す
るバーナー装置と火炎の構造の概略縦断面図、第２図及
び第３図はそれぞれ微粉炭及びＣＷＭの火炎構造を示す
説明図、第４図は第１図のバーナー装置のミキシングキ
ャップ内における混合の度合を示す線図、第５図は同じ
くバーナー装置からの距離と石炭及び水分の分布との関
係を示す線図、第６図及び第７図はそれぞれ還元性ガ状
況を示す線図、第９図は実施例の場合のＮＯｘ生成量と
灰中未燃分の関係を従来例と比較して示す線図である。１・・・二流体式アトマイザ−１２・・・スワーラーキ
ャッグ、３・・・−次空気口、４・・・−次空気用導管
、５・・・旋回流発生器、６・・・操作器、７・・・ウ
ィンドボックス、８・・・二次空気口、９・・・レジス
ター、１ｏ・・・操作棒、１１・・・火炉壁、１２・・
・耐火材、１３・・・ミキシングキャップ、１４・・・
点火用バーナー、Ａ・・・還元領域、Ｂ・・・完全燃焼
領域、Ｃ・・・脱硝領域、Ｄ・・・着火する直前の石炭
が多量の水分と共存した状°′°““ｆｆ３１Ａ　＊ｔ
−Ｌ−＊＊ｔＨｇ。１カ１．４）４茅２日訛速（朋封値〕１：（α）、　　　　　　　　茅　ｌ＝　固し木／石或（り／９ジ茅　７　図水／石炭（〃ｑ）茅　８　目４ｒ町　　（βｅｃ）

Claims

【特許請求の範囲】１、石炭・水スラリーをアトマイザーにより噴霧し燃焼
する方法において、火炎中心部に噴霧される前記石炭・
水スラリーの石炭に対する水分の重量比を火炎外周部に
噴霧される前記石炭・スラリーの石炭に対する水分の重
量比より大きくすることを特徴とする石炭・水スラリー
の燃焼方法。２、前記火炎中心部と前記火炎外周部における石炭に対
する水分の重量比の異なる前記石炭・水スラリーが、一
種類の石炭・水スラリーをアトマイザーより噴霧した直
後に旋回して作られる特許請求の範囲第１項記載の石炭
・水スラリーの燃焼方法。３、前記火炎中心部と前記火炎外周部における石炭に対
する水分の重量比の異なる前記石炭・水スラリーが、石
炭に対する水分の重量比の異なる少なくとも二種類の石
炭・水スラリーを複数の噴霧ノズルを有するアトマイザ
ーで外周に位置する噴霧ノズル程石炭に対する水分の重
量比の大きい石炭・水スラリーを噴霧して作られる特許
請求の範囲第１項記載の石炭・水スラリーの燃焼方法。４、前記火炎中心部と前記火炎外周部における石炭に対
する水分の重量比の異なる前記石炭・水スラリーが、二
流体式アトマイザーにより噴霧した石炭・水スラリー気
流に、前記二流体式アトマイザーの周囲に設けられてい
るミキシングキャップと該二流体アトマイザー本体との
間から旋回して噴出する燃焼用全空気量の５〜５０％の
空気又は燃焼排ガスを混合して作られる特許請求の範囲
第１項記載の石炭・水スラリーの燃焼方法。